Onderzoekers uni Glasgow kunnen zelf-voelende materialen modelleren

Een team ingenieurs onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Glasgow heeft voor het eerst een systeem ontwikkeld dat in staat is om de complexe fysica van 3D-geprinte composieten te modelleren. Enkel door de elektrische stroom te meten, detecteert het systeem rek, belasting en schade aan deze zelf-voelende materialen.

De universiteit noemt dit een doorbraak in de ontwikkeling van zelf-voelende materialen voor vliegtuigen, robotica, bruggen en andere toepassingen. In de vliegtuigindustrie zouden deze self-sensing materialen real time de structurele integriteit van een component kunnen registreren. In infrastructurele delen zou zo’n materiaal ervoor kunnen zorgen dat men continu de conditie van een brug, tunnel of een gebouw monitort en men lang voordat er serieuze problemen ontstaan, al signalen krijgt. Voor 3D printen is dit een doorbraak, denken de onderzoekers.

Goedkope, relatief eenvoudig te vervaardigen materialen kunnen voorzien worden van het opmerkelijke vermogen om te detecteren wanneer ze beschadigd zijn

Hoe doen ze het gedrag monitoren?

Door nanotubes aan een 3D printmateriaal toe te voegen, kan men een lage elektrische stroom door het materiaal sturen. Via wat men noemt het piëzoresistiviteit fenomeen kan men vervolgens de structurele integriteit van het onderdeel of product monitoren. Wanneer de gemeten stroom van waarde verandert, duidt dit erop dat het materiaal verbrijzeld of uitgerekt is, zodat er actie kan worden ondernomen om de fout te verhelpen. Het bestaan van piëzoresistief gedrag is al langer bekend bij wetenschappers. Tot nog toe konden ze dit echter niet op een bruikbare manier toepassen in materialen. Men wist niet op voorhand hoe effectief deze zelf voelende materialen zijn. Dat moest langs de weg van trial and error worden bepaald. In het artikel beschrijven de onderzoekers hoe ze hun systeem hebben ontwikkeld door middel van een reeks laboratoriumexperimenten in combinatie met modellering.

Gedrag zelf-voelende materialen voorspellen

Ze gebruikten een veelgebruikte kunststof, polyetherimide (PEI), gemengd met koolstof nanotubes om vier verschillende lichtgewicht rasterstructuurontwerpen te maken. Deze ontwerpen werden vervolgens getest op stijfheid, sterkte, energieabsorptie en zelfgevoeligheid. Met behulp van geavanceerde computermodellen ontwikkelden ze een systeem om te voorspellen hoe de materialen zouden reageren op een gevarieerde reeks belastingen. Vervolgens valideerden ze de voorspellingen van hun eindige-elementenmodel op meerdere schalen door de materialen te onderwerpen aan intensieve analyse onder echte omstandigheden, waarbij gebruik werd gemaakt van infrarood warmtebeelden om de elektrische stroom die in real-time door de materialen vloeit te visualiseren.

Prestaties controleren zonder extra hardware

Professor Shanmugam Kumar van de James Watt School of Engineering van de Universiteit van Glasgow leidde het onderzoek, dat als artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials. Hij zegt: “Door piëzoresistief gedrag toe te voegen aan 3D-geprinte cellulaire materialen kunnen ze hun eigen prestaties controleren zonder extra hardware. Dat betekent dat we goedkope, relatief eenvoudig te vervaardigen materialen kunnen voorzien van het opmerkelijke vermogen om te detecteren wanneer ze beschadigd zijn en om te meten hoe beschadigd ze zijn. Dit soort autonome materialen met sensorarchitectuur bieden een aanzienlijk onaangeroerd potentieel om geavanceerde nieuwe componenten te maken. De resultaten kunnen toekomstige ontwikkelingen in additive manufacturing ondersteunen door inzicht te geven in hoe voorgestelde nieuwe materialen zullen presteren voordat het eerste prototype in de echte wereld wordt geprint.

Ook voor andere materialen

Het onderzoek bouwt voort op eerdere ontwikkelingen van het team, dat onlangs een artikel publiceerde over een andere benadering van modelleren waarmee onderzoekers kunnen voorspellen hoe door additieve productie veroorzaakte gebreken de structurele integriteit van een nieuw ontwerp kunnen beïnvloeden. Professor Kumar: “Met dit onderzoek hebben we een uitgebreid systeem ontwikkeld dat in staat is om de prestaties van zelf-detecterende, 3D-geprinte materialen te modelleren. Dit is het eerste systeem in zijn soort dat de modellering van 3D-geprinte materialen op meerdere schalen mogelijk maakt en meerdere soorten fysica omvat.” Het principe kan ook toegepast worden op andere materialen dan PEI met nano tubes.

De resultaten van het onderzoek van het team, getiteld ‘Autonomous Sensing Architected Materials’, is gepubliceerd in Advanced Functional Materials.